[논문 리뷰] Field induced magnetic transition and metastability in Co substituted $Mn_{2}Sb$

Pallavi Kushwaha, R. Rawat외 1명|ArXiv.org|2007. 07. 06.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 28인용 수 48

한 줄 요약

이 연구는 Co 도핑된 Mn₂Sb(Mn₁.₈₅Co₀.₁₅Sb)에서 전장에 의해 유도되는 일阶 페라이마그네틱(FRI)에서 반자성(AFM)으로의 전이를 조사하며, 저온에서 비정상적인 열자기 비가역성과 FRI 상의 유리 유사한 운동적 정지 현상을 규명한다. 주요 발견은 운동적 정지와 초냉각/초열화 비가역성이 반비례하며, 자기장 열처리 조건에서 온도가 증가함에 따라 재진입하는 FRI–AFM–FRI 전이가 가능하다는 점으로, 이 시스템이 이동자성체에서의 준안정 상 역학의 모델로 적합함을 입증한다.

ABSTRACT

A detailed investigation of first order ferrimagnetic (FRI) to antiferromagnetic (AFM) transition in Co (15%) doped $Mn_2Sb$ is carried out. These measurements demonstrate anomalous thermomagnetic irreversibility and glass-like frozen FRI phase at low temperatures. The irreversibility arising between the supercooling and superheating spinodals is distinguised in an ingenious way from the irreversibility arising due to kinetic arrest. Field annealing measurements shows reentrant FRI-AFM-FRI transition with increasing temperature. These measurements also show that kinetic arrest band and supercooling band are anitcorrelated i.e regions which are kinetically arrested at higher temperature have lower supercooling temperature and vice versa.

연구 동기 및 목표

• Co 도핑된 Mn₂Sb에서의 저온에서의 첫째 계급 FRI에서 AFM 전이 거동을 조사하며, 비정상적인 열자기 비가역성에 초점을 맞춘다.
• 전이 부근에서 발생하는 초냉각/초열화 효과에 기인한 비가역성과 FRI 상의 운동적 정지에 기인한 비가역성 간의 차이를 구분한다.
• 자기장과 열역학적 역사를 통해 공존하는 FRI 및 AFM 상 분율의 조절 가능성을 탐색한다.
• H–T 상도에서 운동적 정지 밴드와 초냉각 밴드 간의 상관관계 또는 반비례관계가 존재하는지 규명한다.
• Mn₁.₈₅Co₀.₁₅Sb 시스템이 망가니트 및 이방금합금과 유사한 준안정 상 역학을 연구하는 데 있어 모델 시스템으로서의 가능성을 확립한다.

제안 방법

• 3–300 K 온도 범위에서 쿠리스탯에서 4점 측정 기법을 사용하여 저온에서 자기장 최대 8 T 조건에서 전기저항 측정을 수행하였으며, 자기장은 전류 방향과 평행하게 적용하였다.
• 열역학적 및 자기적 역사를 탐색하기 위해 0 자기장 냉각(ZFC), 자기장 냉각(FC), 자기장 냉각 후 가열(FCW) 프로토콜을 시행하였다.
• 다양한 온도에서 이소터ermal R–H(저항도 대 자기장) 루프를 확보하여, 봉우리의 외곽선을 벗어난 버진 곡선을 식별함으로써 운동적 정지를 확인하였다.
• R–T 및 R–H 데이터를 기반으로 H–T 상도를 매핑하여 공존 영역과 전이 경계를 규명하였다.
• 다양한 자기장(H_an)에서 열처리를 실시한 후 가열하여 해제정지 행동과 재진입 전이를 관찰하였다.
• 자유 에너지 다이어그램과 전이 경로를 분석하여 열역학적 준안정성(초냉각)과 운동적 정지 간의 차이를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Co 도핑된 Mn₂Sb에서 저온에서 관찰된 비정상적인 열자기 비가역성의 원인은 무엇인가?
• RQ2 FRI 상의 운동적 정지와 초냉각/초열화 효과는 기원과 표현 방식에서 어떻게 다를까?
• RQ3 H–T 평면에서 운동적 정지 밴드와 초냉각 밴드 간에 상관관계 또는 반비례관계가 존재하는가?
• RQ4 장기적 자기장 열처리와 열사이클링을 통해 재진입 FRI–AFM–FRI 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ5 자기장과 열역학적 역사에 의해 공존하는 FRI 및 AFM 상 분율은 어느 정도까지 조절 가능한가?

주요 결과

• 이 시스템은 저온에서 비정상적인 열자기 비가역성을 나타내며, 버진 저항도 곡선이 자기장 냉각 및 0 자기장 냉각 곡선의 외곽선을 벗어나 있어 고온의 FRI 상이 운동적으로 정지되어 있음을 시사한다.
• H_an ≥ 4.5 T에서 자기장 열처리를 통해 FRI 상의 운동적 정지가 확인되었으며, 저온에서 가열 시 저항도 곡선이 융합됨으로써 자기장 감소에 따라 해제정지가 발생함을 입증하였다.
• 운동적 정지 밴드와 초냉각 밴드 사이에 명확한 반비례 관계가 관찰되었으며, 운동적 정지 온도가 높은 영역일수록 초냉각 온도는 낮고, 반대로 운동적 정지 온도가 낮을수록 초냉각 온도는 높았다.
• H_an > 4 T에서 자기장 열처리 후 가열 시 재진입 FRI–AFM–FRI 전이가 관찰되었으며, FRI 상이 높은 온도에서 재등장함을 확인하였고, 4 T 자기장에서의 저항도 측정으로 뒷받침되었다.
• H–T 상도는 저온에서 넓어지는 히스테리시스 영역을 보이며, 약 40 K 부근에서 하한 임계 자기장의 얕은 최대값을 나타내어 비단조성 행동을 시사한다.
• 이 시스템은 광범위한 온도 및 자기장 범위에서 FRI 및 AFM 상의 공존을 조절 가능하며, 300 K에서의 저항도는 자기장에 영향을 받지 않아 균질한 금속적 거동을 확인한다.